JP7234637B2 - Manufacturing method of three-dimensional model - Google Patents
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Description
本発明は、三次元造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional structure.
従来から、三次元造形物の製造方法には様々な種類がある。このうち、層を形成することとレーザーを照射して該層を溶融しその後固化することとを実行して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法がある。例えば、特許文献1には、粉末層を形成し、該粉末層に光ビームを照射して該層を溶融しその後固化して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法が開示されている。
Conventionally, there are various types of manufacturing methods for three-dimensional structures. Among these methods, there is a method for manufacturing a three-dimensional structure, in which a three-dimensional structure is manufactured by forming a layer, irradiating a laser to melt the layer, and then solidifying the layer. For example,
特許文献1の開示される三次元造形物の製造方法においては、三次元造形物の周囲の粉末を吸引除去する工程と、三次元造形物の表面を切削する工程と、を実行する。これらの処理を実行することで高品質な三次元造形物を製造することは可能となるが、工程が増えることで三次元造形物の製造負荷が増大する。
In the method for manufacturing a three-dimensional structure disclosed in
上記課題を解決するための本発明の三次元造形物の製造方法は、層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、粉末とバインダーとを含む材料を用いて層を形成する層形成工程と、前記層における前記三次元造形物の造形領域の端部及び該端部に隣接する該造形領域の外側部分の少なくとも一方を含む境界領域にレーザーを照射して、前記境界領域における前記材料の一部を除去する除去工程と、レーザーを照射して前記造形領域における前記材料を溶融し溶融後固化させる溶融固化工程と、を有することを特徴とする。 A method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present invention for solving the above problems is a method for manufacturing a three-dimensional structure by laminating layers, the method comprising a material containing powder and a binder and a boundary region including at least one of the edge of the modeling region of the three-dimensional structure and the outer portion of the modeling region adjacent to the edge in the layer is irradiated with a laser. and a removing step of removing a part of the material in the boundary region, and a melting and solidifying step of melting and then solidifying the material in the modeling region by irradiating a laser.
最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第1の態様の三次元造形物の製造方法は、層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、粉末とバインダーとを含む材料を用いて層を形成する層形成工程と、前記層における前記三次元造形物の造形領域の端部及び該端部に隣接する該造形領域の外側部分の少なくとも一方を含む境界領域にレーザーを照射して、前記境界領域における前記材料の一部を除去する除去工程と、レーザーを照射して前記造形領域における前記材料を溶融し溶融後固化させる溶融固化工程と、を有することを特徴とする。
First, the present invention will be generally described.
A method for manufacturing a three-dimensional structure according to a first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is a method for manufacturing a three-dimensional structure by laminating layers, comprising powder and A boundary including at least one of a layer forming step of forming a layer using a material containing a binder, and an end of a modeling region of the three-dimensional structure in the layer and an outer portion of the modeling region adjacent to the end A removal step of irradiating a region with a laser to remove a part of the material in the boundary region; characterized by
層にレーザーを照射して材料を溶融する場合、レーザーの照射位置の周りの材料を引き込んで材料は溶融される。このため、ライン状にレーザーの照射位置を移動する場合の最初のラインの位置やレーザーの照射開始位置などでは、周囲全体に材料があることで多くの材料を引き込んで溶融し、層に突出部分を生成してしまう傾向がある。突出部分が生成されると、三次元造形物の製造精度が低下する。一方、本態様によれば、除去工程で境界領域における材料の一部を除去するので突出部分の生成を抑制できる。したがって、高品質な三次元造形物を製造することができる。なお、除去工程も溶融固化工程も層にレーザーを照射して行うため、これらを1つのレーザーの照射工程と考えることができるので、工程が増えることも抑制できる。すなわち、本態様によれば、工程を増やすことなく高品質な三次元造形物を製造することができる。 When a layer is irradiated with a laser to melt the material, the material is melted by drawing in the material around the irradiated position of the laser. For this reason, when moving the laser irradiation position in a line, at the first line position and the laser irradiation start position, there is material all around, so much material is drawn in and melted, and the protruding part of the layer tends to generate When the protruding portion is generated, the manufacturing accuracy of the three-dimensional structure is lowered. On the other hand, according to this aspect, since part of the material in the boundary region is removed in the removing step, it is possible to suppress the generation of the projecting portion. Therefore, it is possible to manufacture a high-quality three-dimensional structure. Note that since both the removing step and the melting and solidifying step are performed by irradiating the layer with a laser, these steps can be considered as one laser irradiation step, so that an increase in the number of steps can be suppressed. That is, according to this aspect, it is possible to manufacture a high-quality three-dimensional structure without increasing the number of steps.
本発明の第2の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第1の態様において、前記除去工程でのレーザーの照射位置は、前記溶融固化工程でのレーザーの照射開始位置における前記境界領域を含むことを特徴とする。 In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the second aspect of the present invention, in the first aspect, the laser irradiation position in the removing step is the boundary region at the laser irradiation start position in the melting and solidifying step. characterized by comprising
本態様によれば、除去工程でのレーザーの照射位置は、溶融固化工程でのレーザーの照射開始位置における境界領域を含む。すなわち、突出部分を生成しやすい溶融固化工程でのレーザーの照射開始位置の材料の一部を除去するので、層に突出部分を生成してしまうことを効果的に抑制できる。 According to this aspect, the laser irradiation position in the removing step includes the boundary region at the laser irradiation start position in the melting and solidifying step. That is, since a portion of the material at the laser irradiation start position in the melting and solidification process, which tends to generate a projecting portion, is removed, it is possible to effectively suppress the generation of a projecting portion in the layer.
本発明の第3の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第1または第2の態様において、前記溶融固化工程でのレーザーの照射は、ライン状にレーザーの照射位置を移動して行われ、前記除去工程でのレーザーの照射位置は、前記ラインの幅方向における前記境界領域を含むことを特徴とする。 A third aspect of the present invention is a method for manufacturing a three-dimensional structure according to the first or second aspect, wherein the laser irradiation in the melting and solidifying step is performed by moving the laser irradiation position linearly. The laser irradiation position in the removing step includes the boundary region in the width direction of the line.
本態様によれば、除去工程でのレーザーの照射位置は、ラインの幅方向における境界領域を含む。溶融固化工程でライン状にレーザーの照射位置を移動させると、特に最初のラインにおけるレーザー照射に伴い、該最初のラインに突出部分を生成しやすいが、ラインの幅方向における境界領域すなわち例えば最初のライン側の境界領域の材料の一部などを除去できるので、層に突出部分を生成してしまうことを効果的に抑制できる。 According to this aspect, the laser irradiation position in the removing step includes the boundary region in the width direction of the line. When the laser irradiation position is moved linearly in the melting and solidifying step, a protruding portion is likely to be generated in the first line, especially along with the laser irradiation in the first line. Since part of the material in the boundary region on the line side can be removed, it is possible to effectively suppress the generation of a projecting portion in the layer.
本発明の第4の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第1から第3のいずれか1つの態様において、前記除去工程でのレーザーの照射位置は、前記造形領域の全周囲の前記境界領域を含むことを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is a method for manufacturing a three-dimensional structure according to any one of the first to third aspects, wherein the laser irradiation position in the removing step is the entire periphery of the modeling region. It is characterized by including a boundary region.
本態様によれば、除去工程でのレーザーの照射位置は造形領域の全周囲の境界領域を含む。すなわち、突出部分を生成しやすい領域の全てにおいて材料の一部を除去するので、層に突出部分を生成してしまうことを効果的に抑制できる。 According to this aspect, the laser irradiation position in the removing step includes the boundary area around the entire periphery of the modeling area. That is, since part of the material is removed in all regions where protrusions are likely to be generated, it is possible to effectively suppress the formation of protrusions in the layer.
本発明の第5の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第1から第4のいずれか1つの態様において、前記除去工程でのレーザー強度は、前記バインダーの熱分解温度以上にレーザーの照射位置が加熱される温度となる強度であることを特徴とする。 The method for manufacturing a three-dimensional structure according to a fifth aspect of the present invention is the method according to any one of the first to fourth aspects, wherein the laser intensity in the removing step is set to a temperature higher than the thermal decomposition temperature of the binder. The intensity is such that the irradiation position is heated to a temperature.
本態様によれば、除去工程でのレーザー強度は、バインダーの熱分解温度以上にレーザーの照射位置が加熱される温度となる強度である。このため、レーザーの照射位置のバインダーを熱分解させて効果的に該位置の材料の一部を除去できる。 According to this aspect, the laser intensity in the removing step is an intensity at which the laser irradiation position is heated to a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the binder. For this reason, the binder at the laser irradiation position can be thermally decomposed to effectively remove part of the material at that position.
本発明の第6の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第1から第5のいずれか1つの態様において、前記除去工程でのレーザー強度は、1層分の前記層を超えてレーザーの照射エネルギーが到達する強度未満であることを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is a method for manufacturing a three-dimensional structure according to any one of the first to fifth aspects, wherein the laser intensity in the removing step exceeds one layer of the layer. is less than the intensity reached by the irradiation energy of
本態様によれば、除去工程でのレーザー強度は、1層分の層を超えてレーザーの照射エネルギーが到達する強度未満である。このようなレーザー強度とすることで、レーザーの照射位置に層の溶融残渣物が残って、除去工程において材料の除去不良が生じることを抑制できる。 According to this aspect, the laser intensity in the removal step is less than the intensity that the laser irradiation energy reaches beyond one layer. By setting the laser intensity in such a manner, it is possible to suppress the occurrence of defective removal of the material in the removing step due to the residual melted residue of the layer remaining at the laser irradiation position.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
最初に、本発明の三次元造形物の製造方法を実行可能な三次元造形物の製造装置1の概要について図1を参照して説明する。
ここで、図中のX方向は水平方向であり、Y方向は水平方向であるとともにX方向と直交する方向である。また、Z方向は鉛直方向であり図3などで表される層12の積層方向に対応する。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, an overview of a three-dimensional
Here, the X direction in the drawing is the horizontal direction, and the Y direction is the horizontal direction and perpendicular to the X direction. The Z direction is the vertical direction and corresponds to the stacking direction of the
本実施形態の三次元造形物の製造装置1は、層12を積層することにより三次元造形物Oを製造する三次元造形物の製造装置である。そして、図1で表されるように、本実施形態の三次元造形物の製造装置1は、後述する噴射部7、造形台11、乾燥部8及びレーザー照射部20と、これらの駆動及び移動の制御をする制御部3と、を備えている。また、本実施形態の三次元造形物の製造装置1は、図1で表されるように、内部に密閉空間を作る筐体部16と、窒素ガスをボンベ13から筐体部16の内部に導入可能なガス管14と、筐体部16の内部のガスを排気するためのガス管15と、を備えている。
A three-dimensional
また、本実施形態の噴射部7は、三次元造形物Oを構成する粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む流動性の材料(流動性材料)を液滴状態で噴射可能な構成である。さらに、本実施形態の噴射部7は、必要に応じて、該流動性材料に加えて、層12の端部において該流動性材料を支持する流動性の支持材料も液滴状態で噴射可能な構成になっている。
In addition, the
なお、図1で表されるように、本実施形態の噴射部7は、噴射部ユニット4に設置されている。また、本実施形態の噴射部7は、Y方向に移動しながら流動性材料及び支持材料を吐出可能な構成であり、Z方向に沿って移動可能に構成されていることで、造形台11とのギャップを調整可能な構成になっている。
In addition, as shown in FIG. 1 , the
また、本実施形態の造形台11は、X方向に沿って移動可能であり、噴射部7から噴射された流動性材料によって、造形面11aに層12が形成される。ここで、造形台11は、X方向のうちのX1方向に移動することで、噴射部ユニット4から後述の乾燥ユニット5さらにはレーザーユニット6に移動可能になっている。さらに、造形台11は、X方向のうちのX1方向とは反対方向に移動することも可能であり、噴射部ユニット4での層12の形成、乾燥ユニット5での該層12の乾燥、レーザーユニット6での該層12へのレーザーLの照射の終了後、次の層12を形成するために再び噴射部ユニット4に戻ることができる。
Further, the modeling table 11 of this embodiment is movable along the X direction, and the
また、本実施形態の乾燥部8は、造形台11に形成された層12に含まれる溶媒を揮発させて層12を乾燥させることが可能な構成になっている。なお、本実施形態の乾燥部8は、Y方向に沿って延設されるラインヒーターであり、赤外線を造形台11に形成された層12に照射させて該層12を乾燥させることが可能な構成になっている。ただし、乾燥部8はこのような構成に限定されず、ラインヒーター以外であってもよいし、赤外線などの電磁波を照射する構成以外の構成であってもよい。また、図1で表されるように、本実施形態の乾燥部8は、乾燥ユニット5に設置されている。
Further, the
また、本実施形態のレーザー照射部20は、レーザー発生部10とガルバノミラー9とで構成されている。ここで、ガルバノミラー9は、所定の角度の範囲内で内部に設けられた不図示のミラーの配置を変えることができるとともに、Z方向に沿って移動可能な構成になっている。このような構成になっていることにより、層12が積層されてもレーザーLのフォーカスを合わせ続けることが可能であるとともに、造形面11aの全ての範囲にレーザーLを照射可能な構成になっている。また、図1で表されるように、本実施形態のレーザー照射部20は、レーザーユニット6に設置されている。
In addition, the
ここで、図1で表されるように、本実施形態の三次元造形物の製造装置1は、噴射部7から流動性材料を噴射させて造形面11aに層12を形成する際、乾燥部8から赤外線を照射して層12を乾燥させる際、レーザー照射部20からレーザーLを照射する際の何れにおいても、造形面11aが水平方向になるように造形台11を配置する。
Here, as shown in FIG. 1, the
つぎに、本実施形態の三次元造形物の製造装置1で使用可能な流動性材料について詳細に説明する。
三次元造形物Oの構成材料(粉末)としては、例えばマグネシウム(Mg)、鉄(Fe)、コバルト(Co)やクロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)の単体粉末、もしくはこれらの金属を1つ以上含む合金(マルエージング鋼、ステンレス(SUS)、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金)などの混合粉末を、バインダーを含むペースト状の混合材料にして用いることが可能である。
また、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックを用いることが可能である。その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチック(樹脂)も用いることが可能である。
このように、三次元造形物Oの構成材料に特に限定はなく、上記金属以外の金属やセラミックスや樹脂等も使用可能である。また、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどを好ましく使用可能である。
さらには、セルロースなどの繊維も用いることが可能である。
Next, a fluid material that can be used in the three-dimensional
Examples of the constituent material (powder) of the three-dimensional structure O include magnesium (Mg), iron (Fe), cobalt (Co), chromium (Cr), aluminum (Al), titanium (Ti), copper (Cu), Single powder of nickel (Ni), or alloys containing one or more of these metals (maraging steel, stainless steel (SUS), cobalt chromium molybdenum, titanium alloys, nickel alloys, aluminum alloys, cobalt alloys, cobalt chromium alloys), etc. The mixed powder can be used as a pasty mixed material containing a binder.
General-purpose engineering plastics such as polyamide, polyacetal, polycarbonate, modified polyphenylene ether, polybutylene terephthalate, and polyethylene terephthalate can also be used. In addition, engineering plastics (resins) such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyimide, polyamideimide, polyetherimide, and polyetheretherketone can also be used.
As described above, there is no particular limitation on the constituent materials of the three-dimensional structure O, and metals other than the above metals, ceramics, resins, and the like can also be used. Also, silicon dioxide, titanium dioxide, aluminum oxide, zirconium oxide, etc. can be preferably used.
Furthermore, fibers such as cellulose can also be used.
バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はPLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)或いはその他の熱可塑性樹脂などを単独で或いは組み合わせて用いることができる。 Examples of binders include acrylic resins, epoxy resins, silicone resins, cellulose resins, other synthetic resins, PLA (polylactic acid), PA (polyamide), PPS (polyphenylene sulfide), and other thermoplastic resins. Alternatively, they can be used in combination.
また、流動性材料には溶剤をさらに含んでいてもよく、好ましい溶剤としては、例えば、水;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の(ポリ)アルキレングリコールモノアルキルエーテル類;酢酸エチル、酢酸n-プロピル、酢酸iso-プロピル、酢酸n-ブチル、酢酸iso-ブチル等の酢酸エステル類;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル-n-ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類;エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類;テトラアルキルアンモニウムアセテート類;ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤;ピリジン、γ-ピコリン、2,6-ルチジン等のピリジン系溶剤;テトラアルキルアンモニウムアセテート(例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等)等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。 In addition, the fluid material may further contain a solvent. Preferred solvents include, for example, water; ) alkylene glycol monoalkyl ethers; acetic acid esters such as ethyl acetate, n-propyl acetate, iso-propyl acetate, n-butyl acetate and iso-butyl acetate; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene; methyl ethyl ketone , acetone, methyl isobutyl ketone, ethyl-n-butyl ketone, diisopropyl ketone, ketones such as acetylacetone; alcohols such as ethanol, propanol, butanol; tetraalkylammonium acetates; dimethyl sulfoxide, sulfoxide solvents such as diethyl sulfoxide; pyridine , γ-picoline, pyridine-based solvents such as 2,6-lutidine; ionic liquids such as tetraalkylammonium acetate (e.g., tetrabutylammonium acetate, etc.); They can be used in combination.
また、本実施形態の三次元造形物の製造装置1で使用可能な流動性材料についての物性については特に限定は無く、例えば上側よりも下側の方が広がるなど、流動性材料を水平面に載置させた場合に重力の影響により変形するのであれば液体に限定されずゲル状のものであってもよい。ただし、低せん断速度領域において粘度が500mPa・s以上、100000mPa・s以下のものを特に好ましく使用できる。
In addition, the physical properties of the fluid material that can be used in the three-dimensional
次に、上記三次元造形物の製造装置1を用いて行う三次元造形物の製造方法の一実施例について、図2のフローチャート及び図3から図12の各図を用いて説明する。ここで、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、例えば、後述のステップS140の除去工程では、図9及び図11で表されるようにレーザーLを矢印方向N0に連続的にライン状に移動しながら、または、図12で表されるようにレーザーLを矢印方向N0に断続的にライン状に移動しながら、照射して照射位置の流動性材料の一部を層12から除去する。また、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、例えば、図9、図11及び図12で表されるように、後述のステップS150の溶融固化工程では、レーザーLを層12にX方向に沿って矢印方向N1、矢印方向N2、…と、ライン状に移動しながら照射して照射位置における三次元造形物Oの構成材料を溶融させる。以下、ライン状に移動させて行うレーザーLの照射の軌跡を単にラインとも言う。
Next, an embodiment of a three-dimensional structure manufacturing method using the three-dimensional
本実施例の三次元造形物の製造方法においては、最初に、図2のフローチャートで表されるように、ステップS110の造形データ入力工程で、製造する三次元造形物の造形データを入力する。三次元造形物の造形データの入力元に特に限定はないが、PCなどを用いて造形データを三次元造形物の製造装置1に入力できる。
In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present embodiment, first, as shown in the flowchart of FIG. 2, in a structure data input step of step S110, modeling data for a three-dimensional structure to be manufactured is input. The input source of the modeling data of the three-dimensional structure is not particularly limited, but the modeling data can be input to the three-dimensional
次に、ステップS120の層形成工程で、図1で表される噴射部7から流動性材料を噴射することで造形台11に層12を形成する。本ステップを実行した状態は、図3の一番上の状態図のようになる。
Next, in the layer forming process of step S120, the
次に、ステップS130の溶媒乾燥工程で、乾燥部8において、層12を形成する流動性材料に含まれる溶媒を乾燥させる。ただし、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、本ステップを省略することも可能である。
Next, in the solvent drying step of step S130, the
次に、ステップS140の除去工程で、層12における三次元造形物Oの造形領域23の端部17及び該端部17に隣接する該造形領域23の外側部分22の少なくとも一方を含む境界領域25の少なくとも一部にレーザーLを照射して、流動性材料の一部を飛散させることで境界領域25における流動性材料の一部を除去する。本ステップを実行することで、例えば図3の上から2番目の状態図から図3の上から3番目の状態図のようになり、層12に凹部21が形成される。なお、図3においては、図3の上から4番目の状態図を参照するとわかるように、ステップS140の除去工程で、造形領域23の端部17に相当する位置にレーザーLを照射して流動性材料の一部を除去した後に、再びレーザーLを照射することで流動性材料を溶融し固化させている。しかしながら、図5で表されるように造形領域23の外側部分22において流動性材料の一部を除去させてもよいし、図6で表されるように造形領域23の端部17と造形領域23の外側部分22の両方に係る位置において流動性材料の一部を飛散させてもよい。
Next, in the removal step of step S140, the
ここで、ステップS140の除去工程でのレーザー強度は、流動性材料に含まれるバインダーの熱分解温度以上にレーザーLの照射位置が加熱される温度となる強度であることが好ましい。このような強度とすることで、レーザーLの照射位置のバインダーを熱分解させて流動性材料を飛散させることができ、効果的に該位置の流動性材料の一部を除去できるためである。 Here, it is preferable that the laser intensity in the removal step of step S140 is an intensity at which the irradiation position of the laser L is heated to a temperature higher than the thermal decomposition temperature of the binder contained in the fluid material. This is because by setting the strength to such a value, the binder at the irradiation position of the laser L can be thermally decomposed to scatter the fluid material, and a part of the fluid material at the position can be effectively removed.
また、ステップS140の除去工程でのレーザー強度は、1層分の層12を超えてレーザーLの照射エネルギーが到達する強度未満であることが好ましい。このようなレーザー強度とすることで、レーザーLの照射位置に層12の溶融残渣物24が残って、除去工程において流動性材料の除去不良が生じることを抑制できるためである。
Moreover, the laser intensity in the removal step of step S140 is preferably less than the intensity at which the irradiation energy of the laser L reaches beyond one layer of the
ここで、図7には、1層分の層12を超えてレーザーLの照射エネルギーが到達する強度未満である、好ましいレーザー強度でレーザーLが照射された場合の凹部21の形成状態である凹部21aが表されている。また、図7には、1層分の層12を超えてレーザーLの照射エネルギーが到達する強度である、好ましくないレーザー強度でレーザーLが照射された場合の凹部21の形成状態である凹部21b及び凹部21cが表されている。凹部21b及び凹部21cで表されるように、1層分の層12を超えてレーザーLの照射エネルギーが到達するレーザー強度とすると、溶融残渣物24が凹部21に残る場合がある。溶融残渣物24が凹部21に残ると、溶融固化工程後の層12に凹凸が形成される場合があり、好ましくない。
Here, FIG. 7 shows the formation state of the
また、ステップS140の除去工程では、例えば図8及び図9で表されるように、層12における三次元造形物Oの造形領域23の境界領域25の全部にレーザーLを照射して流動性材料の一部を除去させることができる。また、例えば図10及び図11、並びに、図12で表されるように、層12における三次元造形物Oの造形領域23の境界領域25の一部にレーザーLを照射して流動性材料の一部を除去させることもできる。
In addition, in the removing step of step S140, for example, as shown in FIGS. can be removed in part. 10, 11, and 12, a part of the
ここで、図10及び図11は、後述するステップS150の溶融固化工程で1ライン目、2ライン目、…の、何れのラインも同じ方向にレーザーLを移動させる場合、すなわち、溶融固化工程でのレーザーLの照射開始位置がいずれのラインも図11中の上側となり同じとなる場合に相当する。一方、図12は、ステップS150の溶融固化工程で1ライン目、2ライン目…で交互に逆方向にレーザーLを移動させる場合、すなわち、溶融固化工程でのレーザーLの照射開始位置がラインごとに造形領域23の境界領域25bにおいて図12中の上側及び下側と交互に逆側となっている場合に相当する。整理すると、図8及び図9では、ステップS140の除去工程で、1ライン目のラインに沿う位置、最後のラインに沿う位置、各ラインの起端位置及び終端位置に対応する位置の全ての境界領域25にレーザーLを照射している。また、図10及び図11、並びに、図12では、ステップS140の除去工程で、1ライン目のラインに沿う位置及び各ラインの起端位置に対応する位置の境界領域25にレーザーLを照射している。
Here, FIG. 10 and FIG. 11 show the case where the laser L is moved in the same direction for all lines, ie, the first line, the second line, . . . 11 corresponds to the case where the irradiation start position of the laser L is the same for all lines on the upper side in FIG. On the other hand, FIG. 12 shows the case where the laser L is alternately moved in the opposite direction for the first line, the second line, and so on in the melting and solidifying process of step S150, that is, the irradiation start position of the laser L in the melting and solidifying process is set for each line. 12 alternately opposite to the upper and lower sides in FIG. To summarize, in FIGS. 8 and 9, in the removal step of step S140, all the boundaries of the position along the first line, the position along the last line, and the positions corresponding to the start and end positions of each line. A
次に、ステップS150の溶融固化工程で、レーザー照射部20からレーザーLを層12に照射して層12の造形領域23における三次元造形物Oの構成材料を溶融し、溶融後、冷却または放置することなどにより三次元造形物Oの構成材料を固化させる。本ステップを実行することで、例えば図3の上から4番目の状態図から図3の上から5番目の状態図のようになり、層12に1ライン目の溶融固化部19が形成される。そして、例えば図3の上から6番目の状態図から図3の一番下の状態図のように層12に2ライン目の溶融固化部19を形成し、同様に3ライン目、4ライン目…、と、造形領域23の全ての領域に対し、層12に溶融固化部19を形成する。なお、ステップS140の除去工程とステップS150の溶融固化工程とは同じレーザー照射部20からレーザーLを層12に照射するので、これらをまとめて1つのレーザー照射工程と考えることができる。
Next, in the melting and solidification step of step S150, the
そして、ステップS160の判断工程で、制御部3においてステップS110で入力した造形データに基づく層形成が全て終了したかどうかを判断する。層形成が全て終了していないと判断した場合、ステップS120に戻り、次の層12を形成する。一方、層形成が全て終了したと判断した場合、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。
Then, in the determination step of step S160, the
ここで、ステップS140の除去工程を行う理由を図3及び図4を用いて説明する。最初に、図4を用いて、ステップS140の除去工程を行わずに三次元造形物Oを製造する場合について説明する。図4の一番上の状態図で表される造形台11に層12が形成された状態から、図4の上から2番目の状態図で表されるように溶融固化工程として層12における三次元造形物Oの造形領域23の端部17に1ライン目のレーザーLを照射すると、図4の上から3番目の状態図で表されるように、レーザーLの照射位置のY方向における両側にも熱が至るので該両側の流動性材料も一部引き込んで1ライン目の溶融固化部19が形成される。一方、2ライン目以降は、図4の上から4番目の状態図で表されるようにY方向における片側に溶融固化部19が形成されていることで、溶融固化部19が形成されていない側のみ、すなわち、レーザーLの照射位置のY方向における片側のみの流動性材料を一部引き込んで1ライン分の溶融固化部19が形成される。このため、1ライン目と2ライン目以降とでは、1ライン分の溶融固化部19が形成されるのに使用される三次元造形物Oの構成材料の量が異なり、1ライン目の溶融固化部19が形成されるのに使用される三次元造形物Oの構成材料の量だけが多くなる。したがって、図4の一番下の状態図で表されるように、1ライン目の溶融固化部19に対応する位置、すなわち、造形領域23の端部17には凸部18が形成されてしまう。
Here, the reason for performing the removal process of step S140 is demonstrated using FIG.3 and FIG.4. First, referring to FIG. 4, the case of manufacturing the three-dimensional structure O without performing the removal step of step S140 will be described. From the state in which the
一方、図3で表されるように、ステップS140の除去工程を行えば、1ライン目の溶融固化部19を形成する際に境界領域25における流動性材料の一部が除去されるので、1ライン目と2ライン目以降とで、1ライン分の溶融固化部19が形成されるのに使用される三次元造形物Oの構成材料の量を揃えることができる。したがって、図3の一番下の状態図で表されるように、1ライン目の溶融固化部19に対応する位置に凸部が形成されてしまうことを抑制できる。
On the other hand, as shown in FIG. 3, if the removal step of step S140 is performed, a part of the fluid material in the
なお、上記においては、除去工程を行わずに三次元造形物Oを製造する場合、1ライン目の溶融固化部19に対応する位置に凸部18が形成されやすいことを説明した。すなわち、境界領域25における1ライン目のライン方向に沿って突出部分が形成されやすいことを説明した。しかしながら、境界領域25における溶融固化工程におけるレーザーLの照射開始位置、すなわち、図9、図11及び図12における矢印方向N1、矢印方向N2、…の起端位置は、1ライン目に対応する位置だけでなく2ライン目以降の対応する位置にも突出部分が形成されやすい。そして、1ライン目のライン方向に沿う突出部分や溶融固化工程におけるレーザーLの照射開始位置に形成される突出部分ほどではないが、三次元造形物Oの造形領域23のその他の境界領域25にも突出部分が形成される場合がある。本実施例の三次元造形物の製造方法は、境界領域25のいずれの部分も除去工程で流動性材料の一部を除去させることが可能である。
In the above description, it has been explained that when the three-dimensional structure O is manufactured without performing the removing step, the
ここで、一旦まとめると、上記のように、本実施例の三次元造形物の製造方法は、層12を積層することにより三次元造形物Oを製造する三次元造形物の製造方法である。そして、ステップS120に対応し、粉末とバインダーとを含む流動性材料を用いて層12を形成する層形成工程を有する。また、ステップS140に対応し、層12における三次元造形物Oの造形領域23の端部17及び該端部17に隣接する該造形領域23の外側部分22の少なくとも一方を含む境界領域25にレーザーLを照射して、流動性材料の一部を飛散させることで境界領域25における流動性材料の一部を除去する除去工程を有する。また、ステップS150に対応し、レーザーLを照射して造形領域23における流動性材料を溶融し溶融後固化させる溶融固化工程を有する。
Here, once summarized, as described above, the method of manufacturing a three-dimensional structure according to the present embodiment is a method of manufacturing a three-dimensional structure in which the three-dimensional structure O is manufactured by laminating the
上記のように、層12にレーザーLを照射して流動性材料を溶融する場合、レーザーLの照射位置の周りの流動性材料を引き込んで流動性材料は溶融される。このため、図4の一番下の状態図で表されるように、ライン状にレーザーLの照射位置を移動する場合の最初のラインである1ライン目の位置やレーザーLの照射開始位置は、周囲全体に流動性材料があることで多くの流動性材料を引き込んで溶融し、層12に凸部18のような突出部分を生成してしまう傾向がある。突出部分が生成されると、三次元造形物Oの製造精度が低下する。一方、本実施例の三次元造形物の製造方法は、除去工程で境界領域25における流動性材料の一部を除去するので突出部分の生成を抑制できる。したがって、本実施例の三次元造形物の製造方法を実行することで、高品質な三次元造形物Oを製造することができる。なお、除去工程も溶融固化工程も層12にレーザーLを照射して行うため、これらを1つのレーザーLの照射工程と考えることができるので、工程が増えることも抑制している。すなわち、本実施例の三次元造形物の製造方法を実行することで、工程を増やすことなく高品質な三次元造形物Oを製造することができる。
As described above, when the
また、上記のように、本実施例の三次元造形物の製造方法は、図9、図11及び図12で表されるように、除去工程でのレーザーLの照射位置に対応する凹部21の形成位置は、溶融固化工程でのレーザーLの照射開始位置に対応する矢印方向N1、矢印方向N2、…、の各々の起端位置における境界領域25を含むようにすることができる。このように、除去工程でのレーザーLの照射位置が、溶融固化工程でのレーザーLの照射開始位置における境界領域25を含むようにすることで、突出部分を生成しやすい溶融固化工程でのレーザーLの照射開始位置の流動性材料の一部を除去でき、層12に突出部分を生成してしまうことを効果的に抑制できる。
Further, as described above, in the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present embodiment, as shown in FIGS. The formation position can include the
また、上記のように、本実施例の三次元造形物の製造方法では、図9、図11及び図12で表されるように、溶融固化工程でのレーザーLの照射は、ライン状にレーザーLの照射位置を移動して行われ、除去工程でのレーザーLの照射位置は、境界領域25のうちのラインの幅方向における境界領域25aを含ませることができる。溶融固化工程でライン状にレーザーLの照射位置を移動させると、特に最初のラインである1ライン目におけるレーザー照射に伴い、該1ライン目の位置に突出部分を特に生成しやすいが、ラインの幅方向における境界領域25aすなわち例えば1ライン目側の境界領域25aの流動性材料の一部などを除去することができるので、層12に突出部分を生成してしまうことを効果的に抑制できる。
Further, as described above, in the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present embodiment, as shown in FIGS. The irradiation position of L is moved, and the irradiation position of the laser L in the removing process can include the
また、上記のように、本実施例の三次元造形物の製造方法では、図9で表されるように、除去工程でのレーザーLの照射位置は、造形領域23の全周囲の境界領域25を含むことができる。すなわち本実施例の三次元造形物の製造方法を実行することで、突出部分を生成しやすい領域の全てにおいて流動性材料の一部を除去するので、層12に突出部分を生成してしまうことを効果的に抑制できる。
Further, as described above, in the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present embodiment, as shown in FIG. can include That is, by executing the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present embodiment, part of the fluid material is removed in all regions where protruding portions are likely to be generated, so that protruding portions are not generated in the
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the examples corresponding to the technical features in the respective modes described in the Summary of the Invention are used to solve some or all of the above problems, or Substitutions and combinations may be made as appropriate to achieve part or all. Also, if the technical features are not described as essential in this specification, they can be deleted as appropriate.
1…三次元造形物の製造装置、2…PC、3…制御部、4…噴射部ユニット、
5…乾燥ユニット、6…レーザーユニット、7…噴射部、8…乾燥部、
9…ガルバノミラー、10…レーザー発生部、11…造形台、11a…造形面、
12…三次元造形物Oの層、13…ボンベ、14…ガス管、15…ガス管、
16…筐体部、17…端部、18…凸部(突出部分)、19…溶融固化部、
20…レーザー照射部、21…凹部、21a…凹部、21b…凹部、21c…凹部、
22…外側部分、23…造形領域、24…溶融残渣物、25…境界領域、
25a…境界領域、25b…境界領域、L…レーザー、O…三次元造形物
DESCRIPTION OF
5...Drying unit, 6...Laser unit, 7...Injection part, 8...Drying part,
9
12... Layer of three-dimensional structure O, 13... Cylinder, 14... Gas pipe, 15... Gas pipe,
16... Case part, 17... End part, 18... Convex part (protruding part), 19... Melt and solidify part,
20... laser irradiation part, 21... recessed part, 21a... recessed part, 21b... recessed part, 21c... recessed part,
22... Outer portion, 23... Modeling area, 24... Molten residue, 25... Boundary area,
25a... Boundary area, 25b... Boundary area, L... Laser, O... Three-dimensional structure
Claims (6)
粉末とバインダーとを含む材料を用いて層を形成する層形成工程と、
前記層における前記三次元造形物の造形領域の端部及び該端部に隣接する該造形領域の外側部分の少なくとも一方を含む境界領域にレーザーを照射して、前記境界領域における前記材料の一部を除去する除去工程と、
前記除去工程の終了後に、あらためてレーザーを照射して前記造形領域における前記材料を溶融し溶融後固化させる溶融固化工程と、
を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。 A method for manufacturing a three-dimensional structure by laminating layers, comprising:
A layer forming step of forming a layer using a material containing powder and a binder;
A boundary region including at least one of an edge of the modeling region of the three-dimensional structure and an outer portion of the modeling region adjacent to the edge of the layer is irradiated with a laser, and part of the material in the boundary region a removing step of removing
a melting and solidifying step of irradiating the laser again to melt the material in the modeling region after the removing step is completed, and then solidifying the material after melting;
A method for manufacturing a three-dimensional structure, comprising:
前記除去工程でのレーザーの照射位置は、前記溶融固化工程でのレーザーの照射開始位置における前記境界領域を含むことを特徴とする三次元造形物の製造方法。 In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to claim 1,
A method for manufacturing a three-dimensional structure, wherein the laser irradiation position in the removing step includes the boundary region at the laser irradiation start position in the melting and solidifying step.
前記溶融固化工程でのレーザーの照射は、ライン状にレーザーの照射位置を移動して行われ、
前記除去工程でのレーザーの照射位置は、前記ラインの幅方向における前記境界領域を含むことを特徴とする三次元造形物の製造方法。 In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to claim 1 or 2,
The laser irradiation in the melting and solidifying step is performed by moving the laser irradiation position in a line,
A method for manufacturing a three-dimensional structure, wherein the laser irradiation position in the removing step includes the boundary region in the width direction of the line.
前記除去工程でのレーザーの照射位置は、前記造形領域の全周囲の前記境界領域を含むことを特徴とする三次元造形物の製造方法。 In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 3,
A method for manufacturing a three-dimensional structure, wherein the laser irradiation position in the removing step includes the boundary region around the entire periphery of the modeling region.
前記除去工程でのレーザー強度は、前記バインダーの熱分解温度以上にレーザーの照射位置が加熱される温度となる強度であることを特徴とする三次元造形物の製造方法。 In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 4,
The method for manufacturing a three-dimensional structure, wherein the laser intensity in the removing step is an intensity that reaches a temperature at which the laser irradiation position is heated to a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the binder.
前記除去工程でのレーザー強度は、1層分の前記層を超えてレーザーの照射エネルギーが到達する強度未満であることを特徴とする三次元造形物の製造方法。 In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 5,
A method for manufacturing a three-dimensional structure, wherein the laser intensity in the removing step is less than the intensity at which the laser irradiation energy reaches beyond one layer of the layer.
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